АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Ферментативний каталіз

Ферментативний каталіз - прискорення хімічних реакцій під впливом ферментів. В основі життєдіяльності лежать численні хімічні реакції розщеплення поживних речовин, синтезу необхідних організму хімічних сполук і трансформації їх енергії в енергію фізіологічних процесів (робота м'язів, нирок, нервова діяльність тощо).

Ферментативний каталіз здійснюється за допомогою білкових сполук ферментів (ензимів). Їх відмінність від небілкових каталізаторів полягає у високій специфічності: кожен фермент каталізує лише певний тип реакцій або реакції певної сполуки — за цим параметром виділяють 6 груп ферментів. Константа дисоціації деяких субстратів з білком-ферментом може досягати менш ніж 10−10 моль/л. Це досягається частковою комплементарністю форми, розподілу зарядів і гідрофобних областей на молекулі субстрата і в ділянці зв'язування субстрата на ферменті. Ферменти демонструють високий рівень стереоспецифічності (просторової специфічності), регіоселектівності (специфічності орієнтації) і хемоселектівності (специфічності до хімічних груп).

Ферментативний каталіз принципово відрізняється від небіологічного каталізу, широко використовуваного в хімічному виробництві. Таке уявлення грунтувалося на трьох відмітних особливостяхферментативного каталізу: виключно високої ефективності і специфічності, тобто вибірковості (здібності кожного ферменту каталізувати перетворення строго певних біологічних субстратів, іноді лише єдиного речовини, в єдиному напрямку), що не досяжних в небіологічному каталізі. Особливістю ферментативного каталізує також його регулируемость здатність биокатализатора ферменту збільшувати або зменшувати свою активність залежно від потреб організму. Однак дослідження механізму ферментативного каталізупоказує, що до нього застосовні закони і принципи, на яких засновані звичайні хімічні реакції. Відмінність реакцій ферментативного каталізувизначається складністю структури ферментів і хімічних перетворень, які здійснюють речовини в ході каталізу.

Ефективність ферментативного каталізу досягається в результаті того, що хімічна реакція розбивається на ряд енергетично легших проміжних реакцій, в яких бере участь фермент. Найважливішою дляферментативного каталізу реакція утворення первинного фермент-субстратного комплексу дає виграш енергії, достатній для прискорення процесу в цілому.

Висока специфічність ферментативного каталізупояснюється суворим геометричним і електронним відповідністю структури субстрату структурі активного центру ферменту, на якому субстрат сорбируется і далі зазнає хімічні перетворення. Допускається, що відповідність (компліментарність) геометричного і електронної будови активного центру і реагуючих з ним ділянок молекули субстрату (субстратів) досягається в момент зближення субстрату з активним центром (гіпотеза індукованої відповідності Д.Е.Кошленда, США). Активний центр ферменту, що представляє собою ансамбль хімічно активних угруповань (функціональних груп амінокислот), формується із залишків амінокислот, нерідко розташованих далеко один від одного в поліпептидного ланцюга, але зближених у просторі в результаті глобулярної структури білка. Часто в побудові активних центрів беруть участь низькомолекулярні речовини (іони металів, органічні кофактор). У молекулі a-хімотрипсину, катализирующего гідроліз білків і поліпептидів і що має ланцюг завдовжки в 246 амінокислотних залишків, активний центр утворений залишками серину (порядковий номер залишку в ланцюзі 195), гістидину (57), ізолейцину (16) і аспарагінової кислоти (102 і 194). Активний центр рібонуклеази, катализирующей розщеплення РНК і побудованої з 124 амінокислот, утворений залишками лізину (7 і 41), аргініну (39) і гістидину (12 і 119). Активні центри ферментів функціонують за участю низькомолекулярних речовин кофакторов ферментативного каталізу.До них відносяться похідні вітамінів, коферменти, а також іони деяких металів (Na, К, Ca, Mg, Zn, Fe, Сu, Со, Mo та ін.)

Загальна теорія ферментативного каталізуне розроблена, проте результати дослідження механізму дії ферментів дозволяють якісно, а в окремих випадках і кількісно пояснити високу активність ферментативного каталізу.

Її головні причини:

1) зближення реагентів при сорбції їх в активному центрі, цей чинник еквівалентний підвищенню концентрації реагуючих речовин;

2) специфічна орієнтація сорбованої в активному центрі субстрату, сприятлива для взаємодії з каталітичною ділянкою активного центру;

3) утворення хімічних зв'язків між субстратом і каталітичною ділянкою активного центру, що направляє реакцію по енергетично найбільш легким шляхом;

4) здійснення всіх основних хімічних перетворень субстрату "внутрішньомолекулярними" у складі фермент-субстратного комплексу;

5) виняткова гнучкість молекули ферменту, що дозволяє активному центру приймати на кожній стадії перетворення фермент-субстратного комплексу будову, що сприяє досягненню максимальної швидкості даної стадії реакції. Кожна попередня стадія готує найкращі умови для подальшої. Орієнтовна оцінка сумарного ефекту всіх перерахованих чинниківферментативний каталіз дозволяє теоретично передбачити можливе прискорення реакції в 10 -10 = 10-13 раз, що в багатьох випадках збігається із знайденою експериментально величиною.

Механізми регуляції активності ферментативного каталізупов'язані з особливостями білкової структури ферментів. Глобулярні будова ферментів, підтримуване відносно слабкими хімічними зв'язками між окремими ділянками поліпептидного ланцюга, легко порушується при зміні кислотності середовища, температури, концентрації солей в клітка. Оскільки для ферментативного каталізунеобхідна строго задана структура ферменту, всі ці чинники надають дію на його активність. Кожен фермент максимально активний при певній температурі, pH середовища тощо Зміна умов середовища в обидві сторони від оптимуму знижує активність ферментативного каталізунерідко вона саморегулюється продуктом реакції. Для оборотних процесів, коли фермент каталізує пряму і зворотну реакції, швидкість прямої реакції (активність ферментативного каталізу)зменшується при утворенні надлишку продукту реакції. [Гейтс Б.К. Хімія каталітичних процесів. М., 1981]

Важливу роль в ферментативному каталізіграє аллостеричеська регуляція активності ферментів. У живій клітині здійснюється безліч послідовних хімічних реакцій, каталізуються відповідними ферментами E1, E2.Виявлено численні реакції, коли утворюється в надлишку проти фізіологічно необхідних кількостей продукт Р здатний знижувати активність першого ферменту E1 і тим самим зменшувати швидкість всього ланцюга реакцій. Такий механізм називається регуляцією за принципом зворотного зв'язку. При цьому регулятор Р. (у загальному випадку носить найменування ефектор) впливає на спеціальний регуляторний центр ферменту E1, розташований далеко від активного центру. Однак внаслідок рухливості структури білкової молекули ферменту в цілому реакція з регуляторним центром приводить до зміни будови і властивостей активного центру. Така ділянка отримав, за пропозицією Ф. Жакоба і Ж. Моно, найменування аллостеріческого центру, а самі ферменти типу E1 називається аллостеріческого ферментами. В якості аллостеріческіх ефекторів часто виступають нуклеотиди (наприклад, аденіловая кислота, аденозинтрифосфат і т.п.) і амінокислоти (у реакціях біосинтезу амінокислот).

До аллостеричного відносять також механізми регуляції дії ферменту, що містить кілька активних центрів, при яких зв'язування субстрату в активному центрі викликає зміну (зменшення або збільшення) активності ферменту. Аллостеричними властивостями володіють ферменти, побудовані з декількох (парного числа) молекул, кожна з яких має активний і регуляторний центри. Вплив еффектора на регуляторний центр однієї з молекул викликає загальне (кооперативне) зміна будови в ін молекулах і активності ферменту в цілому. Можливі також регуляторні механізми, при яких вплив еффектора на аллостеричеський фермент приводить до зміни ступеня асоціації складових його субодиниць, що також супроводжується зміною загальної активності ферменту. Такого роду механізми відіграють важливу роль у регуляції складної системи хімічних реакцій (обміну речовин) в живому організмі.

Дата добавления: 2015-08-26 | Просмотры: 2648 | Нарушение авторских прав